母差保护原理及故障分析

张晓园

[摘要]安全可靠的电力系统对于我厂的长周期连续稳定运行有着非常重要的意义，而总变35kV系统作为整个电力系统的枢纽环节，其稳定运行对于整个电力系统有着不可估量的作用，如果母线发生故障就可能引起电力系统解列、大面积停电，引起系统不稳定，甚至是电力系统崩溃瓦解，对我厂安全稳定生产产生巨大威胁。本文将通过分析35kV母线不同位置故障时母差保护动作情况，来阐述35kV母线保护的可靠性。

[关键词]双母线；母差保护；死区；互联；大差；小差

1前言

传统比率制动式母差保护的原理是采用被保护母线各支路（含母联）电流的矢量和作为动作量，以各分路电流的绝对值之和附以小于1的制动系数作为制动量。在区外故障时可靠不动，区内故障时则具有相当的灵敏度。算法简单但自适应能力差，二次负载大，易受回路的复杂程度的影响。

而微机型母线差动保护由能够反映单相故障和相间故障的分相式比率差动元件构成。同时微机母差还引入了大差和小差的概念作为故障判据，来判断是否真正发生母线故障，并具有可靠性高、接线简单，调试简单、运行维护简单等优点，使得微机型母差保护在电气系统维护中得到了广泛的应用。

2母差保护的原理分析

首先，介绍一下母线故障的原因，一般可分为四大类：a）母线绝缘子及断路器套管的闪络，b）装设在母线上的电压互感器以及母线与线路电流互感器之间的故障：c）母线隔离开关支持绝缘子的损坏：d）运行人员的误操作。

其次，介绍一下母差保护对其采样元件一电流互感器的接线方式及变比的要求。电流互感器作为母差保护的采样元件，对母差的可靠稳定运行起着决定性作用，母差对其也有着严格的要求：用于母差保护的CT其准确等级和变比必须相等，铁芯也应选择相同的型号，若变比不同，可采用软件进行补偿，满足∑I=0。因为当母线区外发生故障时，其故障电流必然大于母差保护所选用的电流互感器的额定一次电流，若母差保护的电流互感器性能或铁芯型号不一样时，则电流互感器的伏安特性不同，就会导致其二次侧电流的差流比较大，这样可能引起母差保护误动作或使母差保护的整定值偏大，影响母差保护的灵敏性，不利于系统的稳定、可靠运行。

然后重点介绍一下母差的动作原理，母差保护一般采取大差和小差相互配合的方式来完成保护动作，大差作为启动元件，判断是否为区内故障，小差则作为选择元件，判断故障在哪一条母线上。当大差元件和某一段的小差元件中都流过大于整定值的电流时，则判断该段母线发生故障，跳开该线路的所有开关，切除故障。为了防止母差保护出现误动所以增加了电压元件，因为当母线出现故障时必然伴随着正序电压下降、负序电压或零序电压上升，以此作为电压闭锁元件，一是可以防止相关人员误碰母差保护出口继电器时，发生母差保护误动作，二是可以防止电流回路断线引起差动保护动作，同时也可以有效预防了特殊工况下电流突然增加导致母差动作的风险，其保护逻辑关系如图1所示。

母差保护内共有三个差动元件，分别是Ⅰ段母线小差元件、Ⅱ段小差元件和大差元件，其中Ⅰ（Ⅱ）段母线小差元件取其母线上所有线路（包括进线和馈线）和母联开关的电流矢量和，而大差元件则取Ⅰ、Ⅱ段进线和馈线开关矢量之和。正常运行方式下，由于任意一段母线上进线电流与总的负荷电流基本平衡（即流入母线电流与流出母线电流一次值矢量和为零），因而三个差动元件中基本无电流流过，所以均不动作。

2.1当区内母线上A、B点分别发生区内故障时，母差的动作情况

当位于Ⅰ段母线的A点发生故障时（不论母联开关在分位还是合位），Ⅰ段母线的进线和馈线电流都流向故障点，如图2所示，则此时就会有一个大于母差

整定值的电流流经大差元件和Ⅰ母小差元件，同时Ⅰ段母线复合电压继电器也会动作，导致Ⅰ段母差保护动作，跳开Ⅰ段母线上所有线路包括母联开关，及时切除故障，保护Ⅱ段母线正常运行。同理当B点发生短路故障时，Ⅱ段母差动作，跳开Ⅱ段母线上所有开关包括母联开关，保证I段母线正常运行，切除故障，达到稳定供电的目的。

2.2当区外线路上C点发生故障时，母差保护的闭锁情况

当在C处发生故障时，虽然母线电压会降低，零序或负序电压会升高，可能导致复合电压继电器动作，但是Ⅰ段母线小差和大差均无电流流过，所以母差不动作，做到保护范围外的故障，母差不动作的目的。

2.3当两段母线在互联模式下，母差的动作情况

双母线运行方式下，当一个供电间隔的两把刀闸均在合位时，则这种运行方式在母差中称为母差保护的互联模式，母差保护装置上也有互联压板，当投入此压板时，母差装置会默认其工作于互联模式下。形成互联模式之后，小差退出，大差作为动作元件，则此时母差为“非选择性模式”，即35kV Ⅰ、Ⅱ两段母线合成为一段母线，不论故障在哪一段母线上，35kV Ⅰ、Ⅱ两段母线所有开关都会全部跳闸，以此来切出故障。

2.4一个进线带两段母线运行时，母差的动作情况

变电所日常运行中，还有一种运行方式，就是一个进线带两段母线运行。例如当35kV Ⅰ段进线带35kV Ⅰ、Ⅱ段母线运行时，当故障点发生在35kV Ⅰ段母线，则35kV Ⅰ段母线所有开关包括母联开关全部跳闸，同时35kVⅡ段母线失电；而当故障点在35kVⅡ段母线，则35kVⅡ段母线所有开关全部跳闸包括母联开关，35kVⅠ段母线运行正常。

3母差保护死区介绍及应对办法

3.1母差保护的死区介绍

当故障点在D点即母联断路器和母联CT之间时，如图4所示，情况就会有所不同：从保护范围来说，其属于Ⅰ段母差的保护范围，当故障发生时，Ⅰ段母线差动动作，跳开Ⅰ段母线所有负荷和母联开关，但是故障电流仍然存在，而Ⅱ段母差保护认定故障在区外，所以不动作，导致故障未能及时切除，需要启动其他后备保护将其切除，这对安全稳定供电造成了极大地威胁，则将此区域称为母差保护的死区。

3.2死区的应对方法分析

对于死区一般可以通过改变母差保护的逻辑可以实现，也可以通过增加一组CT的方法来实现。首先介绍一下通过改变母差保护的逻辑来实现对死区的保护，其新逻辑图如图5所示。

根据新逻辑可知：当其中一段母线出现故障时，则故障段所有负荷和母联断路器会跳开，而母联电流互感器上的电流取值将为零，由此可以判断为区内且非死区故障，使得无故障母线可以保持正常的运行状态。若在母线的连接外部出现故障时，虽然母联电流互感器上的电流不会变成零值，但是Ⅰ、Ⅱ段母差不动作，可以达到区外故障不动作的目的。若在母差保护的死区出现故障，则Ⅰ段母线小差及大差会动作，致使Ⅰ段母线所有负荷包括母联开关跳闸，然而故障依然存在，故障电流流经母联电流互感器并大于整定值，根据新逻辑图可知，保护经延时跳开Ⅱ段母线开关，由此实现了对死区的保护。

另一种方法就是在原接线图的基础上增加一组CT，即在母联断路器的两端分别装设一组CT，并以交叉的方式接线，则死区为Ⅰ、Ⅱ段母差保护的重叠保护区域，所以当线路中的D点出现故障时，Ⅰ、Ⅱ段母差会同时动作，跳开Ⅰ、Ⅱ段母线负荷及母联开关，从而起到了保护死区的作用。

4结语

母线故障是电气运行中最严重的电气故障之一，因为它与各个电气元件相联，一旦发生故障就可能引起电力系统解列、大面积停电，引起系统不稳定，甚至是电力系统崩溃瓦解，所以作为正确迅速切除母线故障的母线保护装置，它的拒动或误动将给电气系统带来严重危害。本文以某变电所运行方式为例介绍了母差保護的原理，并分析了不同运行方式下、不同位置发生故障时，母差的动作情况，同时还介绍了母差的死区以及应对办法，从而提高了供电系统的稳定性。endprint